Article 372 2 9 du code civil

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Proposition de sujet de thèse 2014

(A remplir par les équipes d'accueil et à retourner à Isabelle HAMMAD : [email protected]

MASTER :

Ordre de priorité de la proposition

(1)

:

Candidat(e)

(1)

Nom - Prénom : Date de naissance : Cursus de second cycle (origine, années, mention) : Mention et classement au Master (Xème sur Y) :

Sujet de doctorat proposé Intitulé

Photochimie multiphasique des composés organiques dans l’atmosphère Descriptif

:

Situation du sujet, objectifs :

L'augmentation de la concentration atmosphérique des aérosols issus de l'activité humaine modifie l’intensité de l’irradiation solaire reçue, l'émission thermique de la planète ainsi que l'albédo planétaire. La réponse du climat à ces modifications entraîne des variations importantes de la température, ainsi que de la fréquence des précipitations. L'aérosol (particules en suspension dans l’air) est actuellement reconnu pour agir sur le climat de plusieurs manières différentes. Parmi celles-ci, de grandes incertitudes demeurent sur l’effet indirect, qui regroupe la capacité des aérosols à modifier, dans les nuages, la concentration en gouttelettes, leurs propriétés optiques, ainsi que leurs durées de vie. Ces incertitudes ne seront résolues qu’avec une meilleure connaissance de la formation, de la taille, du nombre et de la composition chimique de l’aérosol atmosphérique. Bien que majoritaire, l’aérosol organique est encore très mal connu du fait de la complexité de ses sources et de sa composition. De récentes études ont mis en évidence que l’une des sources majeures de l’aérosol organique est secondaire (AOS), c’est-à-dire qu’il est formé

in situ

, par (photo)réactivité atmosphérique. En effet, la photooxydation des Composés Organiques Volatils (COV) conduit à la formation d’espèces oxydées, moins volatiles. La nucléation homogène ou la condensation (sur des particules pré-existantes) des produits d’oxydation permet d’expliquer la formation des AOS dans l’atmosphère. Néanmoins, ces produits d’oxydation sont aussi hydrosolubles et ont été observés dans les gouttelettes d’eau des nuages. En phase aqueuse, leur réactivité atmosphérique est modifiée par rapport à la phase gazeuse, menant à des produits plus oxydés et moins volatils. Les nuages occupent une grande partie de la basse atmosphère (60% en surface sur les 4 à 6 premiers km d’altitude), et se forment et disparaissent continuellement (cycles évapo-condensation). Ils constituent de véritables réacteurs photochimiques. Alors que seulement 1/10 (2013)).

ème des nuages sont précipitants, les 9/10èmes restants se dissipent, entraînant l’évaporation des composés les plus volatils, et la condensation des composés organiques peu volatils formés en phase aqueuse. Cela constitue une nouvelle voie de formation d’AOS, potentiellement très importante, qui fait l’objet d’encore trop peu d’études. En effet, la formation des AOS dans l’atmosphère a été souvent considérée comme résultant de la photooxydation de certains COV, en négligeant totalement la présence d’eau. Notre équipe a pu montrer récemment la pertinence d’une telle approche sur des systèmes simplifiés (voir les publications : Yu et al. (2009) ; El Haddad et al. (2009) ; Liu et al. (2012) ; Renard et al. Le travail de thèse consistera à examiner la contribution des processus de photochimie en phase aqueuse sur la formation des AOS, à partir de systèmes plus complexes, et qui se rapprochent de la réalité atmosphérique. Il consistera à examiner la capacité de ces processus à mener à des voies de formations nouvelles, résultant en la formation d’AOS dont les propriétés physico-chimiques sont différentes, et dont l’impact est encore méconnu.

Moyens de réalisation :

L’étude sera subdivisée en deux volets complémentaires:

1) Etude de la formation de composés organiques peu volatils en phase aqueuse homogène

Il s’agira de déterminer les produits d’oxydation radicalaire de composés hydrosolubles précurseurs des AOS. Les systèmes étudiés seront complexifiés pour atteindre des conditions similaires à celles rencontrées dans l’atmosphère : différentes sources radicalaires seront testées, les composés précurseurs seront étudiés seuls puis en mélanges de plus en plus complexes, avec des concentrations variables. L’accent sera mis sur l’identification des produits d’oxydation et des oligomères formés en phase aqueuse. Cela permettra en outre de déterminer les bilans de carbone et d’établir des mécanismes chimiques, permettant d’expliquer la formation des produits observés. Les expériences seront menées en réacteur photochimique en phase aqueuse, couplé à un important dispositif analytique (chromatographies et spectromètres de masse, disponibles au laboratoire).

2) Etude de la formation de nouveaux AOS lors de l’évaporation des nuages

Les solutions aqueuses ayant réagi par photooxydation (volet 1) seront nébulisées et asséchées dans un enceinte de mélange, elle-même connectée à des instruments de pointe (plateforme MASSALYA) permettant la caractérisation physique et chimique des aérosols. Suivant les financements, ces études seront complétées par des expériences ou des modèles nécessitant des collaborations extérieures. Il s’agit d’une part de modéliser les mécanismes mis en évidence expérimentalement afin d’en évaluer l’importance dans le contexte atmosphérique, grâce au modèle de chimie multiphasique atmosphérique développé par Barbara Ervens à la NOAA, Boulder (Colorado, USA) ; il s’agit d’autre part d’explorer, grâce à une collaboration avec Veronica Vaida (Université du Colorado à Boulder , USA), les propriétés physiques des oligomères formés, et notamment leur capacité à modifier les propriétés de surface (tension de surface) de la gouttelette d’eau. Ces modifications de l’interface peuvent impacter la formation des nuages, et donc influencer leur capacité à précipiter et également influencer le bilan radiatif terrestre; Enfin, il s’agit de réaliser des expériences intégrées de simulation atmosphérique des cycles évapo-condensation des nuages en grand réacteur atmosphérique, à travers des campagnes de mesures, grâce à une collaboration avec Jean-François Doussin de l’université de Paris 12. Ces deux volets seront consacrés à des composés organiques choisis parmi les précurseurs les plus probables des AOS. Il s’agit de composés issus de deux grandes familles d’espèces (composés biogéniques, et composés issus de la combustion de biomasse) suspectées impacter de façon majeure la composition des aérosols atmosphériques à l’échelle planétaire.

- insertion dans des programmes nationaux ou internationaux.

Le travail proposé fait partie d’un programme national mené en collaboration avec plusieurs laboratoires français (Paris, Clermont-Ferrand et Toulouse), et des financements seront recherchés pour poursuivre les collaborations internationales avec la NOAA et l’université du Colorado à Boulder (USA).

Programme finançant la recherche :

obtenu :

ANR-blanc no. ANR-2010-BLAN-617-01 « CUMULUS »

envisagé :

A*MIDEX AAP « émergence et innovation 2014 » / CNRS-INSU-LEFE-CHAT / projet international ANR-NSF

Directeur(s) de thèse proposé(s)

(limiter au plus à deux personnes principales, dont au moins une titulaire de l'HDR)

Directeur HDR proposé

Nom - Prénom : MONOD - Anne Corps : Professeur Laboratoire

(i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation)

: Laboratoire Chimie de l’Environnement (LCE), équipe IRA

Adresse mail : [email protected]

Choix de cinq publications récentes

(souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires)

:

Liu Y., El Haddad I., Scarfogliero M., Nieto-Gligorovski L., Temime-Roussel B., Quivet E., Marchand N., Picquet-Varrault B., Monod A.

In-cloud processes of methacrolein under simulated conditions – Part 1: Aqueous phase photooxidation

Atmospheric Chemical Physics

, 9, 5093–5105, 2009

El Haddad I., Liu Y., Nieto-Gligorovski L., Michaud V., Temime-Roussel B., Quivet E., Marchand N., Sellegri K., Monod A.

In-cloud processes of methacrolein under simulated conditions – Part 2: Formation of Secondary Organic Aerosol

Atmospheric Chemical Physics

, 9, 5107–5117, 2009

Liu Y., El Zein A., Siekmann F., Salque G., El Haddad I., Temime-Roussel B., Voisin D., Thissen R., Monod A.

Oligomer and SOA formation through atmospheric aqueous phase processing of methacrolein and methyl vinyl ketone

Atmospheric Environment

, 49, 123-129, 2012

Renard, P., Siekmann, F., Gandolfo, A., Socorro, J., Salque, G., Ravier, S., Quivet, E., Clément J.-L., Traikia, M., Delort, A.-M., Voisin, D., Thissen, R., and Monod, A.:

Radical mechanisms of methyl vinyl ketone oligomerization through aqueous phase OH-oxidation: on the paradoxical role of dissolved molecular oxygen

, Atmos. Chem. Phys., 13, 6473-6491, 2013.

Doussin J. F. and Monod A.:

Structure-activity relationship for the estimation of OH-oxidation rate constants of carbonyl compounds in the aqueous phase

, Atmos. Chem. Phys., 13, 11625–11641, 2013

Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années

Nom de l’étudiant : Nom de l’étudiant : Titre du travail :

de la ville de Paris.

Directeurs de thèse

collège

Nom de l’étudiant : Titre du travail : Directeurs de thèse

Yao Liu

Situation actuelle : : : Titre du travail : Directeurs de thèse

Impact de la réactivité des composés organiques en phase aqueuse des nuages, sur la formation des aérosols organiques secondaires dans l’atmosphère.

A. Monod

Situation actuelle :

Chercheur en poste au laboratoire Transport et Environnement, à l’IFSTTAR-Lyon

Nom de l’étudiant :

Shaoliang Zhang

Titre du travail :

Impact de la réactivité des composés organiques en phase aqueuse des nuages, sur la formation des aérosols organiques secondaires dans l’atmosphère.

Directeurs de thèse :

A. Monod / R. Strekowski

Situation actuelle :

ingénieur à Pékin Ehgere Abidi Sources des aérosols en milieu urbain : cas A. Monod / N. Marchand enseignante de physique/chimie au Pascal Renard Chimie multiphasique des nuages : une nouvelle voie pour améliorer l’évaluation des risques sanitaires et climatiques dus aux aérosols atmosphériques A. Monod / E. Quivet

Type d'allocation :

Région PACA (100%)

Programme finançant la recherche:

LEFE-CHAT et Réseau ERICHE-CNRS

Dates :

1 er Octobre 2007 – 25 février 2011

% encadrement d’A. Monod :

100

Type d'allocation : Programme finançant la recherche: Dates : Dates :

% encadrement d’A. Monod : Type d'allocation : Programme finançant la recherche:

ANR-2010-BLAN-617-01 « CUMULUS » 1 er er IRSN

Cadarache Octobre 2008 – 29 juin 2012 AXA assurances Novembre 2011 – (en cours)